1前 言
《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》CECS 102于1998年完成編制，2002年作過(guò)一次全面修訂，2003年中國工程建設標準化協(xié)會(huì )將該標準作為CECS優(yōu)秀標準推薦給華夏建筑科學(xué)技術(shù)獎勵委員會(huì )。建設部標準定額所看重該體系的廣泛應用前景，2010年下文將CECS 102重新定位為國家行業(yè)標準，目前正在組織有關(guān)人員進(jìn)行編制。這篇為2003年評獎答辯會(huì )準備的匯報材料較好地反映了該體系的特點(diǎn)、應用范圍、編制背景以及對我國鋼結構行業(yè)發(fā)展的影響等，今天讀來(lái)仍饒有興味。由于該報告沒(méi)有在任何刊物上發(fā)表過(guò)，特在此刊載，以饗讀者。
2立項背景
（1） 門(mén)式剛架輕型鋼結構房屋是美國由二戰期間采用的臨時(shí)性建筑發(fā)展而成的，戰后歷經(jīng)多次改進(jìn)，成為別具風(fēng)格的全金屬商品房，稱(chēng)為“金屬建筑系統”，以后又發(fā)展成為可根據用戶(hù)要求快速進(jìn)行CAD設計和CAM生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化金屬房屋制造行業(yè)。它以十幾個(gè)大型企業(yè)及其遍布全美的配售網(wǎng)為主體，以其技術(shù)和產(chǎn)品向全球輻射。部分大企業(yè)在海外設有分公司，例如，其中歷史最為悠久的巴特勒公司，ABC公司等，90年代中期開(kāi)始在我國設有分公司。我國改革開(kāi)放前沒(méi)有這種結構。
(2) 80年代后期，深圳、珠海、廈門(mén)等南方沿海城市購進(jìn)一些商品房作廠(chǎng)房和倉庫，因為這些房屋的鋼梁腹板比
鋼結構設計規范的規定薄得多，且結構高度輕型化, 有很多特色,中國建筑標準設計所等單位，根據幾張產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，在薄鋼規范組的組織安排下, 1988～1991年進(jìn)行了“山形門(mén)式剛架結構體系”課題的應用研究。當時(shí)雖然受到條件限制, 未能提出具有完善理論依據和內容全面的設計方法,但在若干方面取得了有意義的成果?？上覈敃r(shí)鋼產(chǎn)量還不高，在建筑中還實(shí)行節約鋼材的政策，研究成果沒(méi)有引起有關(guān)方面的重視。
(3)1995年外企進(jìn)入中國市場(chǎng)，在這種房屋的設計和生產(chǎn)方面居于壟斷地位，在工程招標活動(dòng)中處于絕對優(yōu)勢地位，國內設計只能靠《
鋼結構設計規范》，因用鋼量過(guò)高而無(wú)法與外企竟爭。國內個(gè)別單位獨自進(jìn)行探索和設計，就全行業(yè)來(lái)說(shuō)，當時(shí)為一種不安的氣氛所籠罩，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員碰在一起，把外企壟斷現象稱(chēng)為“巴特勒效應”。
(4)由于外企推銷(xiāo)產(chǎn)品要有國內標準認可，國內企業(yè)設計產(chǎn)品要有標準作依據，1996年雙方都有企業(yè)找到建設部來(lái)，要求編制技術(shù)標準，愿意提供支持。這樣，中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )建筑鋼結構委員會(huì )于1996年提出立項，組織編制組，著(zhù)手開(kāi)始編制技術(shù)規程。我們當時(shí)將這本標準定名為《門(mén)式剛架輕型型房屋鋼結構技術(shù)規程》。編制工作主要依靠編制組內我國專(zhuān)家的努力，也得到上海美建鋼結構公司等單位在人力物力上的大力支持和在技術(shù)上的寶貴指導和協(xié)助。
(5)美國的《低層房屋體系手冊》只規定了這種單層金屬房屋結構的荷載，包括活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車(chē)荷載和構件制作安裝方面的少量允許偏差，至于結構設計，其中雖然提到根據美國AISC和AISI兩本規范，但人所共知，這兩本規范中并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對這種體系的設計規定，僅包含了普通鋼結構和冷彎薄壁型鋼結構設計的一般規定。就我們所知，美國行業(yè)協(xié)會(huì )并沒(méi)有編制這種結構的專(zhuān)用設計規程，各大公司根據手冊規定的荷載和結構規范，自行確定設計方法和編制設計軟件，各有特色，屬于知識產(chǎn)權范圍，是不公開(kāi)的。
(6)美建公司的技術(shù)總監，顧問(wèn)項士文先生對某些參數的確定起了重要的指導作用。如柱頂位移限值用到1/60，而不是更嚴；溫度區間長(cháng)度用到300m等；這些參數在MBMA-1996中都未列入。他對荷載等級、結構和節點(diǎn)形式、構件變形限值、制作安裝和單面焊等方面，都提出一些寶貴意見(jiàn)。有時(shí)想到一些意見(jiàn)，就從上海乘夜車(chē)來(lái)京，交談后當天乘夜車(chē)返滬，這種高效作風(fēng)給人留下深刻印象，大家都為早日完成編制而全力以赴。但結構的穩定性計算，構件的板件寬厚比限值，有效寬度計算，變截面柱穩定計算，檁條受壓穩定計算，端板連接計算等，則是完全根據我們獨立自主的研究。這方面的資料，我們向外企要他們也不給。
(7) 編制組對于此新型結構，以最大的熱情投入工作。編制工作是在陳紹蕃教授的主導下完成的。從定名到拿出征求意見(jiàn)稿，僅用了一年。很多單位來(lái)信，對征求意見(jiàn)稿表示滿(mǎn)意，認為‘這樣就可以了’，‘已經(jīng)很好了’。有的單位已經(jīng)按征求意見(jiàn)稿開(kāi)始編制軟件，這是我們親眼所見(jiàn)，因為市場(chǎng)的需求如此迫切。外企的專(zhuān)家們表示，他們更愿意用這本標準，因為它與美國標準較貼近。陳老師在幾次編制組會(huì )期間寄來(lái)大量信稿，對一些難題提出重要的建議，親自動(dòng)手擬條文，以只爭朝夕的精神推動(dòng)規程的早日完成。
3技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)
(1)首次將板件屈后強度理論用于焊接工形截面腹板（以前國內只用于冷彎薄壁型鋼），使得構件腹板厚度大大減薄，不設加勁肋的情況下，受彎構件寬厚比可做到250，而按《鋼結構設計規范》的規定，超過(guò)80就必需設置橫向加勁肋，從而使剛架構件的腹板厚度大幅度減小成為可能。而且在腹板抗彎時(shí)的有效寬度的分布上貼近實(shí)際，推動(dòng)了薄鋼規范的改進(jìn)。在腹板抗剪方面，首次引用了拉力場(chǎng)理論，使得剛架構件在大量節約鋼材的同時(shí)，為確保結構安全提供了理論依據。
(2)剛架采用變截面構件，截面隨內力變化，彎矩大處截面大些，彎矩小處截面小些，使鋼材用量顯著(zhù)降低；
(3)將蒙皮效應概念用于工程設計。鋼面板增強了結構整體剛度，提高了圍護結構的抗剪能力，提高了檁條的抗扭性能，簡(jiǎn)化了支撐和系桿布置，這些在設計中都得到很好體現，帶來(lái)了直接經(jīng)濟效益。雖然在設計計算中利用蒙皮效應目前還有困難，但在結構布置上已利用了蒙皮效應，改善了結構的受力性能，是這種結構的重要特色之一。利用蒙皮效應，使柱頂位移限值取1/60成為可能。
(4)風(fēng)荷載采用了美國MBMA規定，經(jīng)單位換算用于本規程。它是根據邊界層風(fēng)洞試驗結果制定的，專(zhuān)門(mén)用于低矮房屋，國外在低矮房屋的設計中已普遍采用，但在國內尚無(wú)類(lèi)似規定。這種風(fēng)荷載規定用于門(mén)式剛架輕鋼房屋，可使計算采用的風(fēng)荷載分布更好地符合實(shí)際，因而能更好地保證結構的安全。該荷載規定因為未列入我國荷載規范，沖破了重重阻力，在荷載規范組的充分肯定和支持下，才得以在本規程中采用。
(5)在國內首次提出要驗算檁條在風(fēng)吸力作用下的下翼緣穩定，并引進(jìn)了上翼緣帶有面板的檁條計算方法。由于屋面變輕，又采用合理的風(fēng)荷載分布，檁條下翼緣受壓成為普遍現象。而在此以前的設計中，只計算檁條下翼緣受拉。
(6)提出楔形柱穩定計算新方法，論證了楔形柱穩定計算應該取大頭的彎矩和小頭的軸力才更安全。提出了變截面合理梯度的建議；
(7)構造上，用隅撐代替通長(cháng)的系桿來(lái)保證剛架構件的側向穩定，簡(jiǎn)化了構造，節約了鋼材，這種構造在以前國內的鋼結構房屋中沒(méi)有采用過(guò)。
(8)對于無(wú)吊車(chē)的廠(chǎng)房，用圓鋼支撐代替傳統的角鋼支撐，進(jìn)一步適應結構輕型化的要求，推動(dòng)了輕型鋼結構房屋的發(fā)展。
(9)用搖擺柱使部分內柱截面大大減小，縮小了框架柱占用面積，并使構造顯著(zhù)簡(jiǎn)化。以前這種柱從來(lái)沒(méi)有在工程中用過(guò)，更不了解的的計算規定。
(10)利用Z形鋼實(shí)現檁條搭接，連續檁條可顯著(zhù)減小檁條用鋼量。
(11)研究提出了端板連接的計算公式，使這種安裝方便的連接方式得到迅速推廣。
這些計算公式得到了多個(gè)試驗資料驗證，可以推廣使用。
(12)增加了T形連接單面焊的規定，加快了剛架構件的制作進(jìn)度。
4社會(huì )效益和市場(chǎng)情況
（1)本標準實(shí)施以來(lái)，外企給予高度評價(jià)，認為與國際上通用的標準接近，在用鋼量上已與國外標準持平。規程實(shí)施前，門(mén)式剛架的國內市場(chǎng)完全由外企控制，現在國內企業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)占有主導地位。
（2)1998當年建造量約100萬(wàn)平方米，2001年建造量已達600萬(wàn)平方米，三年提高約6倍。近年尚無(wú)可靠統計數字，總的趨勢是應用越來(lái)越多。
（3）我國自行設計和建造這種房屋以來(lái)，已大大改變我國單層廠(chǎng)房的面貌。因為它很經(jīng)濟，每平方米用鋼量只有20～30kg, 在國家未下達指令的情況下，已基本取代了傳統的大型屋面板梯形鋼屋架鋼柱的單層
鋼結構廠(chǎng)房，并部分取代了鋼網(wǎng)架結構在
廠(chǎng)房中的應用。
（4）門(mén)式剛架輕型鋼結構房屋用鋼省、造價(jià)低（每平方米僅400～500元），施工周期短、外形美觀(guān)、在隔熱等方面能較好滿(mǎn)足使用要求、適用范圍廣泛，深受用戶(hù)歡迎。已廣泛用于
廠(chǎng)房、倉庫、超市、體育、文化、娛樂(lè )設施及其它各類(lèi)商業(yè)和公共建筑。國內市場(chǎng)正向縱深擴展，市場(chǎng)越來(lái)越大，用戶(hù)越來(lái)越多。
(5）該規程問(wèn)世以來(lái)，門(mén)式剛架輕鋼房屋已初步形成產(chǎn)業(yè)。目前上規模的鋼結構廠(chǎng)家超過(guò)1500家，大部分以門(mén)式剛架輕鋼房屋為主要產(chǎn)品。
（6）門(mén)式剛架輕型鋼結構房屋在國內推廣，帶動(dòng)了冶金、機械、化工、建材等一大批行業(yè)的發(fā)展，增加了幾十萬(wàn)就業(yè)崗位。
（7）該項目不但填補了我國空白，而且成為建筑業(yè)發(fā)展最快的結構類(lèi)型，它帶動(dòng)了整個(gè)鋼結構行業(yè)的發(fā)展，起到了行業(yè)排頭兵的作用，對我國鋼結構的發(fā)展作出了重大貢獻。
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